Motorul electric

Motorul de inducţie trifazat este cel mai răspândit motor electric
Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferențe de principiu semnificative între cele două tipuri de mașini electrice, același dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situații diferite.
Principiul de funcționare

Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza forțelor electromagnetice ce acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă și motoare electrostatice construite pe baza forței Coulomb și motoare piezoelectrice.
Utilizare:

Fiind construite într-o gamă extinsă de puteri, motoarele electrice sunt folosite la foarte multe aplicații: de la motoare pentru componente electronice (hard disc, imprimantă) până la acționări electrice de puteri foarte mari (pompe, locomotive, macarale).
Clasificare:
Motoarele electrice pot fi clasificate după tipul curentului electric ce le parcurge: motoare de curent continuu și motoare de curent alternativ. În funcție de numărul fazelor curentului cu care funcționează, motoarele electrice pot fi motoare monofazate sau motoare polifazate (cu mai multe faze).

Motoare de curent continuu
Funcționează pe baza unui curent ce nu-și schimbă sensul, curent continuu. În funcție de modul de conectare al înfășurării de excitație, motoarele de curent continuu se împart în patru categorii:
Cu excitație derivație
Cu excitație serie 
Cu excitație mixtă 
Cu excitație separată 
Motoare de curent alternativ
Motoare asincrone 
Mașinile electrice asincrone sunt cele mai utilizate mașini în acționările cu mașini de curent alternativ. S-au dat mai multe definiții în ceea ce privește mașina electrică asincronă. Două dintre cele mai folosite definiții din domeniul acționărilor electrice sunt:
1.O mașină asincronă este o mașină de curent alternativ pentru care viteza în sarcină și frecvența rețelei la care este legată nu sunt într-un raport constant.
2.O mașină este asincronă dacă circuitului magnetic îi sunt asociate două sau mai multe circuite ce se deplasează unul în raport cu celălalt și în care energia este transferată de la partea fixă la partea mobilă sau invers prin fenomenul inducției electromagnetice.
O caracteristic a mașinilor asincrone este faptul că viteza de rotație este puțin diferită de viteza câmpului învârtitor, de unde și numele de asincrone. Ele pot funcționa în regim de generator (mai puțin răspândit) sau de motor. Cea mai largă utilizare o au ca motoare electrice (în curent trifazat), fiind preferate față de celelalte tipuri de motoare prin construcția mai simplă (deci și mai ieftină), extinderea rețelelor de alimentare trifazate și prin siguranța în exploatare.
La aceste motoare, viteza scade puțin cu sarcina; din acest motiv caracteristica lor mecanică se numește caracteristică tip derivație. Motoarele asincrone se folosesc în acționările în care se cere ca turația să nu varieze cu sarcina: mașini-unelte obișnuite, ventilatoare, unele mașini de ridicat, ascensoare, etc.
Motoare cu inele de contact ( rotorul bobinat)
Motoare cu rotorul în scurtcircuit
Motoare de tipuri speciale
Motoare cu bare înalte
Motoare cu dublă colivie Dolivo-Dobrovolski
Motoare sincrone
Elemente constructive 

Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două părți componente: stator și rotor. Statorul este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statorică și înfășurarea statorică. Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax și o armătură rotorică ce susține înfășurarea rotorică. Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier ce permite mișcarea rotorului față de stator. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.
Motorul de curent continuu

Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator. Astfel el a constatat, că generatorul "inițial" era de fapt o mașină electrică reversibilă, care putea lucra ca un convertizor de energie bidirecțional.
Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.
În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:
motor cu excitație independentă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune
motor cu excitație paralelă - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune
motor cu excitație serie - unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie
motor cu excitație mixtă - unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.
Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.
Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.
Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).
Motor universal folosit la râşniţele de cafea:

Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de câmp se face, așadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie același curent străbate înfășurarea de excitație și înfășurarea rotorică. Din această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie: pentru încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcționeze în gol pentru că în acest caz valoarea intensității curentului electric absorbit este foarte redusă și implicit câmpul de excitație este redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii până la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).
Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată în decursul unei perioade. Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).
Motorul de curent alternativ
Motoarele de curent alternativ funcționează pe baza principiului câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în 1882. În anul următor a proiectat un motor de inducție bifazat, punând bazele mașinilor electrice ce funcționează pe baza câmpului magnetic învârtitor. Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la generarea și transmisia eficientă la distanță a energiei electrice, marcând cea de-a doua Revoluție industrială. Un alt punct important în istoria motorului de curent alternativ a fost inventarea de către Michael von Dolivo-Dobrowlsky în anul 1890 a rotorului în colivie de veveriță.
Motorul de inducție trifazat
Motorul de inducție trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric în acționările electrice de puteri medii și mari. Statorul motorului de inducție este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfășurarea trifazată statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din armătura feromagnetică rotorică în care este plasată înfășurarea rotorică. După tipul înfășurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:
rotor în colivie de veveriță (în scurtcircuit) - înfășurarea rotorică este realizată din bare de aluminiu sau -mai rar- cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.
rotor bobinat - capetele înfășurării trifazate plasate în rotor sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.
Prin intermediul inducției electromagnetice câmpul magnetic învârtitor va induce în înfășurarea rotorică o tensiune. Această tensiune creează un curent electric prin înfășurare și asupra acestei înfășurări acționează o forță electromagnetică ce pune rotorul în mișcare în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numește asincron pentru că turația rotorului este întotdeauna mai mică decât turația câmpului magnetic învârtitor, denumită și turație de sincronism. Dacă turația rotorului ar fi egală cu turația de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducție electromagnetică, nu s-ar mai induce curenți în rotor și motorul nu ar mai dezvolta cuplu.
Turația motorului se calculează în funcție alunecarea rotorului față de turația de sincronism, care este cunoscută, fiind determinată de sistemul trifazat de curenți.
Alunecarea este egală cu:

, unde
n1 este turația de sincronism și
n2 este turația rotorului.

, unde
f este frecvența tensiunii de alimentare și
p este numărul de perechi de poli ai înfășurării statorice.
Turația mașinii, în funcție de turația câmpului magnetic învârtitor și în funcție de alunecare este: .
Se observă că alunecarea este aproape nulă la mers în gol (când turația motorului este aproape egală cu turația câmpului magnetic învârtitor) și este egală cu 1 la pornire, sau când rotorul este blocat. Cu cât alunecarea este mai mare cu atât curenții induși în rotor sunt mai intenși. Curentul absorbit la pornirea prin conectare directă a unui motor de inducție de putere medie sau mare poate avea o valoare comparabilă cu curentul de avarie al sistemelor de protecție, în acest caz sistemul de protecție deconectează motorul de la rețea. Limitarea curentului de pornire al motorului se face prin creșterea rezistenței înfășurării rotorice sau prin diminuarea tensiunii aplicate motorului. Creșterea rezitenței rotorului se face prin montarea unui reostat la bornele rotorului (doar pentru motoarele cu rotor bobinat). Reducerea tensiunii aplicate se face folosind un autotransformator, folosind un variator de tensiune alternativă (pornirea lină) sau conectând inițial înfășurarea statorică în conexiune stea (pornirea stea-triunghi - se folosește doar pentru motoarele destinate să funcționeze în conexiune triunghi) sau prin înserierea de rezistoare la înfășurarea statorică. La reducerea tensiunii de alimentare trebuie avut în vedere că cuplul motorului este proporțional cu pătratul tensiunii, deci pentru valori prea mici ale tensiunii de alimentare mașina nu poate porni.
Turația mașinii de inducție se modifică prin modificarea alunecării sale sau prin modificarea turației câmpului magnetic învârtitor. Alunecarea se poate modifica din tensiunea de alimentare și din rezistența înfășurării rotorice astfel: se crește rezistența rotorică (prin folosirea unui reostat la bornele rotorice - doar la motoarele cu rotor bobinat) și se variază tensiunea de alimentare (folosind autotransformatoare, variatoare de tensiune alternativă, cicloconvertoare) sau se menține tensiunea de alimentare și se variază rezistența din rotor (printr-un reostat variabil). Odată cu creșterea rezistenței rotorice cresc și pierderile din rotor și implicit scade randamentul motorului. O metodă interesantă de reglare a turației sunt cascadele de recuperare a puterii de alunecare. La bornele rotorice este conectat un redresor, iar la bornele acestuia este conectat un motor de curent continuu aflat pe același ax cu motorul de inducție (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale mecanică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată și aplicată motorului de curent continuu astfel încât cuplul dezvoltat de motorul de curent continuu se însumează cuplului dezvoltat de motorul de inducție. Reglarea turației motorului de inducție se face prin reglarea curentului prin înfășurarea de excitație. În locul motorului de curent continuu se poate folosi un invertor cu tiristoare și un transformator de adaptare (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale electrică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată și prin intermediul invertorului și a transformatorului este reintrodusă în rețea. Reglarea vitezei se face din unghiul de aprindere al tiristoarelor.
Turația câmpului magnetic învârtitor se poate modifica din frecvența tensiunii de alimentare și din numărul de perechi de poli ai mașinii. Numărul de perechi de poli se modifică folosind o înfășurare specială (înfășurarea Dahlander) și unul sau mai multe contactoare. Frecvența de alimentare se modifică folosind invertoare. Pentru frecvențe mai mici decât frecvența nominală a motorului (50 Hz pentru Europa, 60 Hz pentru America de Nord) odată cu modificarea frecvenței se modifică și tensiunea de alimentare păstrând raportul U/f constant. Pentru frecvențe mai mari decât frecvența nominală la creșterea frecvenței tensiunea de alimentare rămâne constantă și reglarea vitezei se face cu slăbire de câmp (ca la motorul de curent continuu).
Sensul de rotație al motorului de inducție se inversează schimbând sensul de rotație al câmpului învârtitor. Aceasta se realizează schimbând două faze între ele.
Motorul de inducție cu rotorul în colivie este mai ieftin și mai fiabil decât motorul de inducție cu rotorul bobinat pentru că periile acestuia se uzează și necesită întreținere. De asemenea, motorul de inducție cu rotorul in colivie nu are colector și toate dezavantajele care vin cu acesta: zgomot, scântei, poluare electromagnetică, fiabilitate redusă și implicit întreținere costisitoare. Motoarele de curent continuu au fost folosite de-a lungul timpului în acționările electrice de viteză variabilă, deoarece turația motorului se poate modifica foarte ușor modificând tensiunea de alimentare însă, odată cu dezvoltarea electronicii de putere și în special cu dezvoltarea surselor de tensiune cu frecvență variabilă, tendința este de înlocuire a motoarelor de curent continuu cu motoare de inducție cu rotor în colivie.

Trasnetul

   Trăsnetul este o descărcare electrică disruptivă, care se produce în atmosferă, de obicei, dar nu totdeauna, în timpul furtunilor.
   Majoritatea trăsnetelor au loc la altitudine (în interiorul aceluiași nor sau între diferiți nori) și, de obicei, nu sunt observate. Trăsnetele care se produc între nor și pământ sunt numite negative sau pozitive (vedeți figura). Descărcari electrice de mare amploare au loc de asemenea în straturile înalte ale atmosferei.
   Protecția împotriva trăsnetului este data de paratrăsnet, un dispozitiv inventat la jumătatea secolului al 18-lea de către Benjamin Franklin. Majoritatea oamenilor loviți de trăsnet sunt surprinși de furtună într-un loc expus sau se află în imediata vecinătate a unui copac lovit de trăsnet.
   Avioanele sunt protejate cu un dispozitiv numit în engleză discharge wicks. Acestea sunt elemente metalice ascuțite pe aripi care minimizează sarcina statică care se acumulează pe suprafața metalică a avionului în zbor.
   Producerea unui trăsnet este însoțită de fulger și tunet. Decalajul dintre observarea fulgerului și auzirea tunetului se datorează diferenței dintre vitezele de propagare ale celor două unde, luminoasă de ca. 300.000 km/s și acustică (sonoră) de ca. 332 m/s (la 0 °C și presiunea de 1 atmosferă). Din aceasta cauză există un decalaj de timp între recepționarea vizuală (fulgerul) și auditivă (tunetul) a trăsnetului. Acest decalaj crește cu cât trasnetul este mai departe de observator. Distanța în kilometri până la locul lovit de trăsnet se poate afla împărțind numărul de secunde dintre observarea fulgerului și auzirea tunetului la 3. De exemplu, dacă sunt 9 secunde între fulger și tunet, trăsnetul a lovit la aproximativ 3 km depărtare.   Benjamin Franklin a demonstrat în anul 1752 cu ajutorul unui zmeu de hârtie prezența unei sarcini electrice în nori de furtună (acesta a observat încărcătura electrică a funiei umede cu care ținea zmeul dar, din fericire, nu a declanșat trăsnetul).
   Cercetări ulterioare au stabilit că, în nori de furtună numiți Cumulonimbus (nimbus cumulus), nori în care cu o probabilitate mare vor lua naștere trăsnete, curenții de aer repartizează inegal gheața și apa în interior. Prin frecarea straturilor norului se formează spații cu încărcătură (ionică) electrostatică negativă și pozitivă. Zona de trecere dintre regiunile cu sarcini pozitive și negative au loc la înălțime mare și temperaturi între −10°C și −15°C, aici picăturile de apă din nor transformându-se în cristale de gheață. Stratul superior (de sus) al norului este în mod normal încărcat pozitiv, iar stratul inferior (de jos) negativ. Aceste sarcini induc la rândul lor sarcini de semn opus la suprafața pămantului.

IRM-RMN

Imagistica prin rezonanta magnetica este un test care se foloseste de un camp magnetic si de pulsuri de radiofrecventa pentru vizualizarea imaginii diferitelor organe si tesuturi ale corpului omenesc. In multe din cazuri, IRM ofera informatii care nu pot fi vizualizate prin radiografie, ultrasonografie sau tomografie computerizata.
In timpul IRM, regiunea corpului ce trebuie investigata, este plasata intr-un aparat special care reprezinta un magnet urias. Informatiile furnizate de IRM pot fi stocate si salvate intr-un computer. De asemenea pot fi facute poze sau filme daca situatia o cere. In anumite cazuri se poate utiliza o substanta de contrast pentru a vizualiza mai clar anumite structuri ale corpului.

IRM se efectueaza pentru diagnosticarea anumitor afectiuni ca tumori, sangerare, leziuni, afectari vasculare sau infectii. Prin folosirea unei substante de contrast in timpul IRM, se pot vizualiza clar anumite tesuturi. O IRM este indicata pentru:

- regiunea cefalica - IRM poate detecta tumoti, sangerari la nivel cerebral, leziuni nervoase si alte afectiuni, ca si cele cauzate de accident vascular cerebrall; IRM poate de asemenea detecta afectiuni ale nervului optic si globului ocular, ale urechilor si nervului auditiv

- regiunea toracica - IRM poate vizualiza cordul, valvele cardiace si vasele coronare; poate stabili daca plamanii sau inima sunt afectate; de asemenea poate fi folosita pentru diagnosticarea cancerului de san sau pulmonar

- vasele sanguine - IRM poate fi folosita pentru vizualizarea vaselor de sange si a circulatiei sangelui prin vase, in acest caz purtand numele de angiografie prin rezonanta magnetica; poate depista afectiuni ale venelor sau arterelor, ca anevrisme vasculare, un cheag la nivel vascular sau ruptura partiala a peretelui vascular (disectie); uneori se foloseste substanta de contrast pentru vizualizarea mai clara a vaselor sanguine

- regiune abdominala si pelvina - IRM poate depista diferite afectari ale organelor abdominale ca ficat, vezica biliara si vezica urinara; se foloseste pentru depistarea tumorilor, sangerarilor, infectiilor si diferitelor obstacole; la femei poate vizualiza uterul si ovarele; la barbati se poate vizualiza prostata

- oasele si articulatiile - IRM poate evidentia afectari ale sistemului osos sau articular, ca artrite, afectari ale articulatiei temporomandibulare, probleme ale maduvei osoase, tumori osoase, afectari ale cartilajului, rupturi de ligamente sau tendoane sau infectii; IRM poate afirma cu precizie daca un os este rupt sau nu, atunci cand radiografia este neclara; IRM se foloseste cel mai frecvent pentru depistarea afectiunilor osoase sau articulare

- coloana vertebrala - IMR poate vizualiza discurile si nervii coloanei vertebrale, putand diagnostica afectiuni ca stenoza de canal vertebral , hernie de disc sau tumori de coloana vertebrala.

IRM se efectueaza de regula de catre medicul specialist in rezonanta magnetica; pozele vor fi interpretate de catre un medic radiolog; de asemenea, alti medici sunt capabili sa interpreteze o IRM.

Pacientul va scoate toate obiectele de metal (ca dispozitive pentru auz, placi dentare, orice tip de bijuterii, ceasul si agrafe de par) de pe corp deoarece exista riscul ca aceste obiecte sa fie atrase de catre magnetul folosit pentru efectuarea testului; in cazul in care pacientul a suferit un accident sau daca lucreaza cu metale, exista posibilitatea ca acesta sa prezinte fragmente de metal la nivelul regiunii cefalice, in ochi, pe piele sau coloana vertebrala; de aceea se recomanda efectuarea unei radiografii inainte de efectuarea IRM pentru a stabili daca testul se poate efectua.

Pacientul va trebui sa se dezbrace complet in functie de aria pe care se efectueaza (in anumite cazuri pacientii pot pastra o parte din haine, daca nu incomodeaza). Pacientul va folosi un halat pe toata perioada efectuarii testului. In cazul in care se permite pastrarea unor haine, pacientul va trebui sa goleasca buzunarele de orice monede sau carduri (exemplu carti de credit sau carduri ATM), cu benzi magnetice inscriptionate deoarece prin IRM se pot demagnetiza. In timpul testului pacientul se va intinde pe spate pe masa dispozitivului, care reprezinta scanner-ul aparatului. Capul, toracele si membrele pot fi fixate cu niste curele pentru a mentine pacientul nemiscat. Masa va aluneca in interiorul unui dispozitiv care contine magnetul. Un dispozitiv in forma de colac poate fi plasat peste sau in jurul regiunii care urmeaza sa fie scanata. Unele tipuri de IRM (numite IRM deschise) sunt construite asfel incat magnetul nu inconjoara corpul in intregime.

Unii pacienti devin agitati (claustrofobicii) in interiorul magnetului IRM. Daca pacientul nu poate mentine pozitia nemiscata i se va administra un medicament sedativ pentru relaxare. Dispozitivele cu sistem deschis pot fi utile in cazul pacientilor claustrofobici.
In interiorul scannerului, pacientul va auzi un ventilator si va simti aerul miscandu-se. De asemenea, se mai pot auzi diverse zgomote care sunt rezultatul scanarii.

Unele aparate prezinta casti sau dopuri pentru urechi pentru a reduce din zgomot. Este foarte important ca pacientul sa nu se miste in timpul scanarii. De asemenea pacientul va fi rugat sa isi tina respiratia pentru scurte perioade de timp. In timpul efectuarii testului, pacientul va fi inchis in camera de scanat, insa medicul specialist va supraveghea pacientul prin intermediul unei ferestre transparente. 

Pacientul va putea comunica printr-un microfon. 
In cazul in care este necesara utilizarea unei substante de contrast, aceasta va fi administrata la nivelul venelor periferice ale bratului pacientului. Substanta de contrast va fi administrata in 1 pana la 2 minute. Apoi se pot efectua o serie de clisee. Un IRM dureaza de obicei 30 pana la 60 minute, dar se poate prelungi pana la doua ore.

Ce simte pacientul? 

Campul magnetic sau undele de radiofrecventa folosite de dispozitiv nu produce durere. Masa pe care se intinde pacientul poate fi tare, iar camera poate fi rece. Pacientul poate fi speriat sau iritat daca trebuie sa mentina pozitia nemiscata. In cazul in care se foloseste substanta de contrast, poate aparea senzatie de raceala sau caldura in timpul introducerii substantei la nivel venos.

In cazuri rare, poate aparea:

- furnicaturi la nivelul cavitatii bucale in cazul in care pacientul prezinta dentitie de metal

- incalzirea zonei care se examineaza; acest lucru este normal; medicul specialist trebuie informat daca apare senzatie de greata, voma, cefalee, ameteala, durere sau dificultati de respiratie

Mari descoperiri ale fizicii

Electromagnetismul este acea ramura a fizicii care studiaza sarcinile electrice si magnetice, câmpurile create de acestea (electric si magnetic), legile care descriu interactiunile dintre acestea.

Efectul magnetic al curentului electric

Ramurile principale ale electronagnetismului sunt:

• Electrostatica, care se ocupa cu studiul sarcinilor electrice aflate în repaus si al câmpurilor generate de acestea.
• Electrodinamica, care se ocupa cu studiul sarcinilor aflate în miscare, precum si al câmpurilor generate de acestea.
• Magnetismul, care se ocupa cu studiul câmpului magnetic.

În cadrul fizicii, dualitatea unda-corpuscul se refera la faptul ca materia prezinta simultan proprietati corpusculare si ondulatorii. Este vorba despre un concept central al mecanicii cuantice care a înlocuit teoriile clasice asupra naturii materiei. Anumite fenomene pun in evidenta caracterul ondulatoriu (interferenta, difractia, polarizarea), pe când altele demonstreaza caracterul corpuscular al materiei (emisia si absorbtia luminii, efectul fotoelectric, efectul Compton). Bazându-se pe studiul acestor fenomene, teoriile clasice propuneau modele în care un obiect era considerat fie o particula, fie o unda.

Scurt istoric

În formalismul clasic, lumina era considerata unda electromagnetica, prezentând fenomene ondulatorii cum ar fi interferenta, difractia, polarizarea. Odata cu descoperirea efectului fotoelectric în 1887 de catre Heinrich Rudolf Hertz, a fost necesara introducerea unei noi teorii care sa justifice fenomenul, întrucât cea clasica era în contradictie cu rezultatele experimentale.

În 1905, Albert Einstein explica legile efectului fotoelectric presupunând ca lumina este alcatuita din particule (numite fotoni) si aplicând ipoteza lui Planck, conform careia energie este cuantificata.

Louis de Broglie a extins teoria lui Einstein, sustinând ca orice particula în miscare are asociata o unda. Teza lui de doctorat este publicata în anul 1924, dar el primeste premiul Nobel abia în 1929, dupa ce teoria sa este verificata experimental.

Ipoteza lui de Broglie

Louis de Broglie afirma ca orice particula aflata în miscare (electron, proton, atom) are si o comportare ondulatorie. El stabileste relatia între lungimea de unda asociata si impulsul al particulei:

unde

• reprezinta constanta lui Planck;
• este masa particulei;
• este energia totala a particulei;
• reprezinta energia potentiala a particulei.

În relatia lui de Broglie intervin atât marimi specifice corpusculilor (cum ar fi energia si impulsul) precum si marimi caracteristice undelor (frecventa, lungimea de unda).

Dovezi experimentale

Noile teorii au fost cu greu acceptate de comunitatea stiintifica. Experimentele ulterioare au demonstrat, însa, corectitudinea acestor ipoteze.

Efectul fotoelectric extern

Efectul fotoelectric este un fenomen fizic în care se manifesta natura corpusculara a luminii. El consta în emisia electronilor de catre un corp aflat sub actiunea radiatiilor electromagnetice. Pentru explicarea lui, Einstein a presupus ca fotonii din care este alcatuita lumina ciocnesc atomii din substanta respectiva, fiecare foton incident eliberând câte un electron. Scriind legea de conservare a energiei, se pot deduce legile empirice obtinute în studiul acestui efect. Relatia este cunoscuta sub numele de legea lui Einstein:

unde

• reprezinta constanta lui Planck;
• este freventa fotonului incident;
• este energia fotonului incident, exprimata conform ipotezei lui Planck.
• este lucrul mecanic de extractie a electronului din substanta;
• este energia cinetica a electronului liber.

Razele-X

Materia, noi si tot ceea ce ne inconjoara, este alcatuita din spatii goale. Chiar si o roca este alcatuita din spatii, aceasta se datoreaza faptului ca materia este alcatuita din atomi. Un atom este alcatuit dintr-un invelis electronic format din electroni (cu sarcina electrica negativa) care orbiteaza in jurul unui nucleu, compus si el la randul lui din protoni (sarcina electrica pozitiva, egala cu cea a electronilor) si neutroni (fara sarcina electrica). Proportia dintre nucleu si invelis electronic este egala cu cea a unui graunte de nisip in centrul unui stadion de fotbal.

Nucleul detine mai mult de 99,9% din masa atomului, si totusi are un diametru de doar 1/100000-a parte din invelisul electronic. Electronii nu ocupa mult loc, insa traiectoria orbitei lor defineste marimea atomului, care este in proportie de 99.9999999999999% vid!

Ceea ce credem noi ca atingem este doar rezultatul semnalelor nervoase din corpul nostru, deoarece distanta minima la care ne putem apropia de un obiect este de un Ångstrom (Å). Cum ar arata materia daca nu ar fi "goala", daca am putea sa frangem invelisul electronic la dimensiunea nucleului? Sa presupunem ca am putea genera o forta destul de mare incat sa zdrobim "golul" din atomii unei roci de dimensiunea unui teren de fotbal. Stanca ar pute fi redusa la dimensiunea unui fir de nisip si totusi sa cantareasca 4 milioane de tone!

Surse de raze-X

Sistemul solar- Atmosfera externa a Soarelui este o sursa de raze-X.

Stele - Atmosfera fierbinte sau corola stelelor normale produc si ele raze-X. Observatiile razelor-X sunt folositoare la intelegerea activitatii stelelor in evolutia lor.

Stelele Pitice Albe- Acestea sunt dense, resturi arse ale unor stele cum ar fi Soarele. Ele s-au format in urma consumarii combustbilului nuclear.

Supernove si ramasite ale acestora - Cand o stea explodeaza si se transforma intr-o supernova, explozia creeaza un nor in care se pot atinge valori de mai multe milioane de grade care straluceste in raze-X timp de mii de ani. Observatiile razelor-X pot dezvalui dinamica exploziei si elementele grele prezente in norul rezultat.

Stelele neutronice- Cand o stea masiva devine o supernova, ea poate lasa in urma sa ramasite dense numite de specialisti "stele neutronice". Stelele neutronice tinere trimit in afara lor particule cu energii care pot trimite raze-X timp de mai multe mii de ani.

Gaurile negre-Cand stea moarta are masa mai mare decat trei sori, aceasta formaeaza o gaura neagra in spatiu. Telescoapele pentru observarea razelor-X ne dau o imagine asupra materiei supraincalzite care se misca in jurul gaurilor negre.

Galaxiile - Observatiile prin raze-X a galaxiilor normale au revelat calduroasa, energetica parte a caracterului unei galaxii prin localizarea stelelor neutronice, ramasitele supernovelor si ale gaurilor negre.

Galaxii active si Quasari - Galaxiile active duc o "viata" violenta, de obicei in centrul acestora. Aceasta activitate se datoreaza unei gauri negre uriase din centrul acestora sau o coliziune cu o alta galaxie sau ambele. Quasarii sunt exemple extreme de galaxii active.

Un fundal radioactiv- Cerul observat in raze-X nu este intunecat, ci este slab luminat, lumina in raze-X care vine de la multe surse indepartate.

Absorbtia de raze-X

Absorbtia acestora de catre atmosfera Pamantutui este impartita pe mai multe strauri atmosferice. Absorptia se face in urmatorul mod:

Fotonii razelor-X-particule minuscule incarcate cu energie electromagnetica puternica-sunt absorbiti de orice intalnesc in cale si care este compus din atomi. Cantitatea de radiatii se imputineaza trecand prin ionosfera si prin stratul de ozon.

Ce se intampla cand razele-X sunt absorbite in atmosfera?

Energia unei unde X incearca sa deplaseze un electron de la orbita lui din jurul unui atom de oxigen.acest proces se numeste absorbrtia foto-electrica, deoarece un foton este absorbit in procesul inlaturarii electronului de la atom.

Telescoapele pentru observarea razelor-X de deasupra Pamantului pot colecta radiatii de tip X de la surse care se afla la miliarde de ani lumina departare. Aceste radiatii-X de provenienta cosmica sunt focalizate de o oglinda concava si redirectionate spre un aparat de masura a intensitatii si proprietatilor cum ar fi directia din care vin si energia razelor-X. Un material solid sau gazos din interiorul aparatului absoarbe aceste raze sub efectul foto-electric.

Semiconductorii si Laserul

Scurt istoric. Introducere in problematica LASER.

Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a stiintei s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-1965) si pana in ziua de astazi. Desi bazele teoretice erau mai mult sau mai putin stabilite, primii care reusesc sa concretizeze toate teoriile si presupunerile au fost doi rusi si un american.

In ordine sunt prezentati Charles H. Townes (Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay Gennadiyevich Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in 1922) si Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in 1916). Cei trei au impartit premiul Nobel atribuit in 1964 pentru "cercetarile fundamentale in domeniul electronicii cuantice care au condus la construirea oscilatoarelor si a amplificatorilor bazati pe principiul maser-laser".

Partea teoretica este usor de gasit in majoritatea manualelor, cursurilor si compendiilor de fizica existente asa ca lucrarea de fata nu se va concentra asupra acestui aspect. Principiul LASER consta in faptul ca atomii elibereaza energie sub forma de fotoni atunci cand parcurg tranzitia de pe un nivel de excitare metastabil spre un nivel de echilibru. Aceasta tranzitie se face sub influenta unui factor declansator si de aceea emisia de energie se numeste emisie stimulata sau emisie indusa. Odata pornita reactia aceasta se propaga sub forma piramidala astfel, un foton emis de un atom dezexcitat va declansa reactia la altul, acesta la randul lui va emite un foton si il va elibera si pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor inmulti exponential. Astfel se produce o amplificare a radiatiei luminoase.

Realizarea practica a dispozitivelor LASER. Tipuri de laser.

Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de excitare si rezonatorul optic. Partea esentiala a unui dispozitiv laser o constituie mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii aflati intr-o stare energetica superioara celei de echilibru. In acest mediu activ se produce amplificarea radiatiei luminoase (daca avem o radiatie luminoasa incidenta) sau chiar emisia si amplificarea radiatiei luminoase (daca nu avem o radiatie luminoasa incidenta). Sistemul de excitare este necesar pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai multi atomi intr-o stare energetica superioara. Exista mai multe moduri de a realiza excitarea atomilor din mediul activ, in functie de natura mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile si oglinzi necesare pentru prelucrarea optica a radiatiei emise. Desi la iesirea din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai precisa, pentru concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru dispersia razelor sau alte aplicatii necesare.

Dupa natura mediului activ deosebim mai multe tipuri de laser. Printre acestea regasim laserul cu rubin, la care distingem bara de rubin tratat drept mediul activ iar ansamblul sursa de lumina plus oglinzi poarta rolul de sistem de excitare. Laserul cu gaz foloseste amestecuri de gaze rare (He, Ne, Ar, Kr) sau CO2 drept mediu activ si o sursa de curent electric legata la doi electrozi iau rolul de sistem de excitare.

LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice.

Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor IIIa si Va. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu - ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor.

Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10^-2 - 10⁸ W cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La 0K, electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 10⁵ atomi de Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificare reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor. Daca impurificam Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p - n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n. Zona de separare, interfata, are marimi de ordinul 10^-4 cm. La suprafata semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celalalt.

Laserul cu semiconductori. Construire. Consideratii practice.

Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate anterior.

Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda.

Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a obtine performante maximale. De obicei un sistem format din doua lentile plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre cealalta la anumite distante calculabile este suficient pentru a obtine un fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.

Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia "din spate" pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la curenti si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului:

Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica.

O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.

Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite in rosu-IR), pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a fost exclus treptat din cercetari datorita rezistivitatii mari, consumului mare de energie, randamentului mic si a multor altor factori descoperiti experimental. Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji Nakamura a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea laserului albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la data realizarii diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura nu avea nici macar un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator pierdut intr-un laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA.

Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte immediate pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre "laseristi" exista o gluma: "Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !".

Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale acestei tehnologii.

Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri.

Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar ca acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm) si puteri de cativa W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente si in imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele etc. Poate cel mai important folos, dupa CD/DVD-playere, este cel adus in comunicatiile prin fibra optica. In cadrul fiecarui emitator pe fibra optica se afla o dioda laser. Mai nou s-a inceput folosirea diodelor si in medicina si in holografie. Diodele nu sunt folosite in aplicatiile militare (Radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile astronomice (distante cosmice si determinari de compozitii), efectele speciale de anvergura si holografia de mare intindere datorita puterii limitate relativ mici pe care o dezvolta.

Concluzii.

Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la laserii cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si utilizare cat si longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in "lupta" cu celelalte dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi imbunatatite. Pentru noi este important sa intelegem cum functioneaza un astfel de dispozitiv, la ce este folosit si incotro se indreapta cercetarile pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este important sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si factorii care pot perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam si cum sa o protejam.

Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum ni se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de zi cu zi.